混凝土二次受力对叠合梁极限承载力的影响分析

朱德孙, 盛宏玉

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

混凝土二次受力对叠合梁极限承载力的影响分析

朱德孙, 盛宏玉

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

文章运用有限元软件ANSYS分别对一般整浇梁、普通叠合梁以及考虑混凝土二次受力的叠合梁进行数值模拟,通过降温法模拟现浇混凝土的收缩微应变,并在叠合面上建立弹簧单元;探讨了混凝土二次受力对叠合梁极限承载力的影响。数值结果表明,普通叠合梁相对于同条件下的一般整浇梁来说,能够提高其极限承载力,而考虑混凝土二次受力的叠合梁相对于普通叠合梁其极限承载力会有所降低,但仍比一般整浇梁的极限承载力高。最后模拟了叠合参数αh的变化对混凝土二次受力叠合梁承载力的影响。

极限承载力;ANSYS模拟;整浇梁;叠合梁;二次受力;叠合参数

0 引 言

混凝土叠合梁结构是指在预制钢筋混凝土或预应力混凝土梁上后浇混凝土所形成的一种装配整体式混凝土结构,混凝土叠合结构是取整浇式混凝土结构和装配式混凝土结构两者之长而舍其短的结构形式,具有整体刚度好、抗震性能优越、节省三材、施工简便、缩短工期等优点,因其良好的经济效益和结构性能[1],已成为混凝土梁结构发展的新方向。尽管具有诸多优点但也存在一些缺点,随着新材料与新工艺的出现,原有的研究成果已无法适应新型叠合梁结构的要求,近年来国内外相继开展了系列研究。文献[2]采用弹性力学的应力函数法,求得了双材料叠合悬臂梁在自由端受集中力作用时的理论解;文献[3]从理论上分析了预应力叠合梁的受力性能;文献[4]对钢-混凝土叠合梁的特点作了阐述,考虑了叠合梁内力转移的特性;文献[5]在试验研究的基础上,通过分析叠合梁二次成型及受力过程,考虑材料非线性,提出钢纤维混凝土叠合梁非线性有限元分析方法;文献[6]对钢-铝混凝土梁力学性能进行试验研究;文献[7]设计了3根不同配筋率的再生混凝土叠合梁以及1根整浇梁,通过受弯性能试验,得到挠度和裂缝的发展规律及破坏特征。这些研究成果对混凝土叠合结构领域的扩展具有十分重要的意义。

由于叠合梁具有二次浇筑、两阶段受力的特点,迄今为止,对其受力机理和破坏形态仍没有一个统一、清晰的认识[8]。目前国内外众多学者对叠合梁二次受力的机理进行了系统的试验和理论研究,得出了很多有价值的结论,但很少考虑现浇混凝土收缩微应变的影响。本文充分运用国内外已有叠合梁的极限承载力研究成果,通过有限元软件对整浇梁、普通叠合梁以及考虑混凝土二次受力叠合梁的极限承载力进行数值分析,通过降温法来模拟考虑混凝土二次受力叠合梁现浇部分的收缩微应变,重点分析不同收缩微应变对叠合梁承载力的影响。

1 混凝土叠合梁非线性有限元模型

ANSYS是一个大型通用的有限元分析软件,已成为土木建筑行业CEA仿真分析软件的主流,是解决复杂工程问题的一种有效分析途径[9]。由于叠合梁具有二次浇注、二次受力的特性,在ANSYS中运用生死单元、重启动技术等相关命令能较好地模拟叠合梁的受力特征[10]。

1.1 叠合梁模型的设计及单元材料的选择

本文基于ANSYS对叠合梁和整浇梁进行非线性模拟分析,以考察其受力特征。混凝土选择solid65单元建立模型,受压的应力与应变曲线采用规范推荐的公式[11]。为便于直观对比分析,混凝土的预制层和现浇层全部采用C30混凝土,混凝土的极限抗压强度fC=14.3 MPa,抗拉强度ft=1.43 MPa,弹性模量EC=3×104N/mm2,泊松比νC=0.2,重度ρ=2.4×10-5N/mm3。钢筋选用link8单元模拟,其应力应变关系采用双线性等向强化(bilinear isotropic hardening plasticity,BISO)模型来进行模拟,受拉钢筋的屈服强度fy1=300 MPa,弹性模量ES1=2×105N/mm2,泊松比νS1=0.2,重度ρ1=7.8×10-5N/mm3;架立筋以及箍筋屈服强度fy2=270 MPa,弹性模量ES2=2.1×105N/mm2,泊松比νS2=0.25,重度ρ2=7.8×10-5N/mm3。

1.2 整体结构破坏准则

钢筋混凝土叠合梁有限元分析中,为了与有关试验研究的成果相一致,当满足下列任一条件时即认为整体结构破坏。

(1) 箍筋单元屈服。

(2) 支承点或剪压区与跨中受压区混凝土单元压碎。

(3) 在某一级荷载下的挠度增量是前5级荷载下所产生的总挠度值,或达到构件跨度的l/50。

(4) 总体刚度矩阵奇异。

1.3 有限元模型的建立

本文的研究对象为一简支混凝土叠合梁、考虑混凝土二次受力的叠合梁以及一对比梁(整浇梁),整浇梁与叠合梁的配筋和截面尺寸相同,b×h=150 mm×300 mm,叠合梁的预制部分h1=200 mm,现浇部分h2=100 mm,其中叠合参数αh=h1/h。加载机制为在两侧距支座600 mm处施加集中线荷载,梁的构造以及加载简图如图1所示。由于对称性,只需建立1/4模型即可。加载点以均布荷载近似代替钢垫板,垫板尺寸为150 mm×300 mm。支座处采用线约束,其中混凝土保护层处的单元尺寸为30 mm,其余单元尺寸为50 mm。本算例采用分离式建模,钢筋与混凝土共节点处理,视为完全锚固(除叠合面),没有考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移。由ANSYS所建立的模型如图2和图3所示。

图1 叠合梁构造及其加载简图

图2 一次浇筑时的模型

图3 整体浇筑模型

1.4 现浇混凝土收缩微应变的模拟

本文采用降温法来模拟现浇混凝土的收缩。取混凝土热膨胀系数[11]αC=1×10-5/℃,由于混凝土的收缩在早期发展较快,以后逐渐缓慢,最终趋于稳定,通常情况下,收缩值ε=2×10-4～5×10-4,混凝土收缩随时间变化规律如图4所示[12]。本文考虑最不利情况取其收缩值ε=5×10-4。采用降温法来模拟混凝土的收缩,由公式αt=ε,可取现浇部分混凝土降温t=-50 ℃。

图4 混凝土收缩随时间变化规律

1.5 加载机制

对于普通叠合梁,先在预制部分施加力F1=10 kN,然后激活叠合部分的混凝土单元后再逐步施加荷载力F2直至破坏为止。对于考虑混凝土收缩的叠合梁,需要对激活叠合部分混凝土单元进行降温。对于整浇梁一次性施加荷载力F直至破坏为止。

2 叠合梁叠合面的应力分析

对叠合梁的叠合面进行模拟时,采用弹簧单元来模拟叠合面沿纵向可能产生的滑移。叠合面的粘结用弹簧单元Combin14单元模拟,取Z向刚度(纵向切向)近似为混凝土弹性模量的1/100[13],即300 N/mm2,而在X、Y向(法向和横向切向)取一个大值以防止弹簧被拉坏即可,由于本文不涉及动力问题,弹簧不考虑阻尼效应。

与一般整浇梁有所不同,叠合梁的二阶段受力存在着预制部分顶面由压应力转化为拉应力的过程。本文首先研究了叠合梁叠合面上的应力在混凝土二次受力过程中的变化历程,并与一般叠合梁和整浇梁进行了对比。3种梁跨中叠合面位置纵向应变的历程如图5～图7所示，其中图6中的Fmax表示整浇梁的破坏荷载。

图5 叠合梁预制部分顶部混凝土的应变历程

图6 整浇梁相应位置混凝土的应变历程

图7 考虑混凝土二次受力叠合梁相应位置的应变

从图5可以看出，普通叠合梁有明显的应力突变现象,在第1阶段(阶段0～阶段1),即施加第1阶段荷载时,预制部分顶面呈现压应力,并随着荷载的增加压应力值越来越大。在施加第2阶段荷载(阶段1～阶段4)时,叠合面上的应力状态从原来的受压变成受拉,拉应力与荷载预压力相互抵消的过程中使得叠合面出现了内力重分布,直到荷载预应力消失。因此,荷载预应力抑制了混凝土和钢筋的变形,从而当斜裂缝发展到叠合面附近时速度变慢,甚至会出现停滞现象,这样就延迟了主斜裂缝穿过叠合面导致斜截面剪压区的混凝土被压碎而破坏,从而能够提高梁的抗剪承载力。

从图6可以看出,逐渐施加载荷时整浇梁同一位置处的应力一直处于受压状态,且逐渐增大。在受力相同的情况下,相同部位的对比梁出现了裂缝而叠合梁却没有,这就是“荷载预应力”的抑制作用,能有效地提高叠合梁的抗剪承载力。

从图7可以看出,考虑混凝土收缩的叠合梁有明显的应力突变现象,在第1阶段(阶段0～阶段1),预制部分顶面呈现压应力,并随着时间的增加压应力值越来越大。到第2阶段(阶段1～阶段2),即考虑现浇部分混凝土收缩微应变时,相应位置混凝土的应变继续增加,到第3阶段(阶段2～阶段6),即施加第2次荷载时,预制部分顶面的压应力递减,直至为0,而后便出现了拉应力,后面发生的情况与普通叠合梁类似。由于考虑混凝土的收缩使其最大应变增加,故其极限承载力要低于普通叠合梁。

3 二次受力对承载力的影响分析

本文用降温法来模拟混凝土的收缩,取现浇部分混凝土降温t=-50 ℃,收缩微应变ε=5×10-4,探讨了混凝土二次受力对叠合梁极限承载力的影响,其二次受力横截面应力应变分布如图8所示。由图8不仅可以看出，二次受力结构的截面上部为受压区,下部为拉区;还可以看出混凝土收缩及其对横截面应力应变的影响机理。由于3种梁都采用适筋梁配筋,其破坏形式都为抗弯破坏,其承载力计算结果如图9所示，见表1所列。由ANSYS计算结果可以得到整浇梁纵筋达到屈服时的荷载大约为40 kN,依据文献[11]计算得到的纵筋屈服点荷载为39.02 kN,两者误差为2.51%,吻合较好。如果此时对整浇梁继续加载,那么结构达到整体破坏时的荷载约为43 kN,从数值模拟的角度验证了规范公式在工程设计中具有保守性,说明规范有一定的安全储备,本文的结果说明ANSYS能够较好地模拟钢筋混凝土梁,其结果具有一定的可靠性。普通叠合梁混凝土整体破坏荷载大约为51.35 kN,较一般钢筋混凝土整浇梁的极限承载力提高了19.4%,这与预期的结果相一致,说明叠合构件能提高其极限承载力,ANSYS也能较好地模拟叠合梁的受力过程。考虑混凝土二次受力的叠合梁在降温结束段其挠度有微量的增大,其整体破坏荷载大约51 kN,比一般整浇梁的极限承载力提高了18.6%,较普通叠合梁的极限承载力降低了0.7%,这说明考虑后浇混凝土的收缩微应变对其极限承载力有一定的影响,但影响不是太大。分析其原因可能是叠合参数过大,即现浇高度较小的原因。

为考察现浇混凝土高度对承载力的影响,本文模拟了3组叠合参数,即αh=h1/h=190/300=0.63;αh=h1/h=180/300=0.6;αh=h1/h=150/300=0.5,分析了叠合参数的变化对普通叠合梁与考虑混凝土收缩叠合梁极限承载力的影响,其模拟结果如图10所示。

图8 二次受力的横截面应力应变分布图

图9 3种不同类型梁的荷载扰度曲线对比结果

表1 3种不同类型梁的极限荷载

梁类型破坏挠度/mm极限荷载/kN一般整浇梁4.35743.00普通叠合梁5.81851.35二次受力叠合梁5.90651.00

图10 叠合参数变化对叠合梁承载力的影响

由图10可以看出,叠合参数αh的变化对混凝土二次受力承载力有较为明显的影响,表现为在一定的范围内αh增大对叠合梁跨中裂缝的抑制作用越来越明显,其极限承载力逐渐增高;而且混凝土收缩对其极限承载力影响越来越小,但αh不宜过大,αh过大会导致叠合部分高度过小,反而加剧第2阶段受力时裂缝的发展,因此建议在叠合梁的设计中要注意αh的控制,αh控制在0.6左右为宜。

4 结 论

本文分析了一般钢筋混凝土梁、普通钢筋混凝土叠合梁以及考虑混凝土二次受力的钢筋混凝土叠合梁3种不同类型的梁,用ANSYS分别计算了极限承载力,通过有限元分析可以得出如下结论:

(1) 从一般整浇梁的数值分析可以看出,ANSYS模拟对钢筋混凝土的非线性分析的效果较好,与文献[11]的计算结果能够较好地吻合。

(2) 普通钢筋混凝土叠合梁由于其第1阶段施加荷载所产生的荷载预应力作用对第2阶段受载时的斜裂缝开展有很好的抑制作用。

(3) 考虑混凝土二次受力的叠合梁由于后浇部分的混凝土收缩作用比普通叠合梁的裂缝开展较快,故其极限承载力比普通叠合梁会有所降低,但由于其两阶段加载,故其极限承载力较一般钢筋混凝土整浇梁仍然会有所提高。

(4) 叠合参数αh的变化对考虑混凝土二次受力的极限承载力较为明显的影响,表现为在一定的范围内αh增大对叠合梁跨中裂缝的抑制作用越来越明显,其极限承载力逐渐增高,混凝土二次受力对其极限承载力影响也随之越来越小。

[1] 周旺华.现代混凝土叠合结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[2] 刘一华,朱立军.双材料叠合悬臂梁端部受集中力作用的理论解[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2010,33(3):391-395.

[3] 赵梅,高荣誉,刘文春.预应力叠合梁斜截面抗剪性能有限元分析[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2011,19(2):15-19.

[4] 黄田,赵星亥.钢-混凝土叠合梁挠度及截面应力分析[J].山西建筑,2005,31(16):90-91.

[5] 徐礼华,李锦辉,丁仕苗.钢纤维混凝土叠合梁非线性有限元分析[J].建筑结构,2004,34(8):62-64.

[6] 曾辉,谭智丰,夏仲林,等.钢-铝叠合梁力学性能试验分析与研究[J].工程与试验,2012,52(1):28-30.

[7] 肖建庄,高歌,徐亚玲，等.再生混凝土叠合梁受弯力学性能试验研究[J].结构工程师,2012,28(2):122-126.

[8] 洪炳钦，杨俊杰，杨遒，等.叠合梁斜截面抗剪性能的试验研究[J].浙江工业大学学报,2007,35(4):464-468.

[9] 郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[10] 刘佩玺.无粘结部分预应力混凝土叠合结构的力学性能研究与数值仿真[D].泰安:山东农业大学,2007.

[11] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:GB 50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[12] 吴培明.混凝土结构[M].武汉:武汉理工大学出版社,2004:5.

[13] 康占锋.考虑粘结滑移的钢筋混凝土非线性有限元分析方法研究[D].重庆:重庆大学,2007.

(责任编辑 马国锋)

Analysis of the effect of secondary loads on ultimate bearing capacity of concrete composite beam

ZHU Desun, SHENG Hongyu

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In this paper, the finite element software ANSYS is used to simulate the integral casting concrete beam, ordinary concrete composite beam and composite beam considering secondary load of concrete simultaneously. The effect of secondary loads on the ultimate bearing capacity of concrete composite beam is analyzed based on the simulation of the micro-strain of cast-in-situ concrete using the temperature reduction method and the spring element established on the laminate surface. The numerical results show that the ultimate bearing capacity of the ordinary concrete composite beam is higher than that of the integral casting concrete beam, while the ultimate bearing capacity of the composite beam considering secondary load of concrete is a little lower than that of the ordinary concrete composite beam but still higher than that of the integral casting concrete beam. Finally, the influence of different composite parametersαhon the ultimate bearing capacity of the composite beam considering secondary load of concrete is simulated.

ultimate bearing capacity; ANSYS simulation; integral casting concrete beam; concrete composite beam; secondary load; composite parameter

2015-09-20；

2015-12-24

朱德孙(1991-),男,安徽六安人,合肥工业大学硕士生; 盛宏玉(1958-)，男,安徽合肥人,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.019

TU375.1

A

1003-5060(2017)04-0528-05